貨船輔鍋爐水位控制系統的改進

鞠冀軍，陳 云

(1.浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316000；2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

貨船輔鍋爐水位控制系統的改進

鞠冀軍1，陳 云2

(1.浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316000；2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

傳統柴油機貨船輔鍋爐水位控制系統采用電極式雙水位檢測、整流器件結合繼電器為執行元件，存在電極易結垢、繼電器動作不及時的安全隱患。現采用基于嵌入式芯片的單電極水位檢測控制系統，可以精確利用電阻電位測量，對鍋爐液位進行數據采集，采集的數據再由嵌入式芯片分析，然后直接控制水泵自動啟停、輸出數據顯示、自由調節參數、實現故障監測報警等功能。整套系統成本低廉，系統極大簡化，抗干擾能力強，適用大中型的貨船。

輔鍋爐；自動化；水位控制系統

鍋爐是船舶日常運營不可缺少的輔助機械之一,產生的蒸汽主要應用于加熱燃油、潤滑油和船員日常生活。若鍋爐液位太高，使產生的蒸汽攜帶液態水，液態水會損壞機械設備，消耗過多的燃料使船舶運營成本增加。而液位太低，有造成鍋爐干燒產生爆炸的危險，嚴重威脅船員人身安全[1]。傳統柴油機貨船輔鍋爐水位控制采用電極雙水位檢測，利用整流橋結合繼電器為執行元件，存在著電極易結垢、繼電器動作不及時的安全隱患。當前嵌入式控制芯片的價格持續降低，例如部分8位單片機售價已低于1元人民幣，繼續采用強電檢測控制，顯然在成本、結構、效益方面已失去優勢。采用嵌入式芯片為核心的鍋爐水位檢測控制系統不但可以極大的簡化系統組成結構、實現水位的精密控制，而且可以輕松實現實時液位顯示、實時調節、實時故障監測報警等功能。

1 傳統輔鍋爐水位檢測控制

傳統柴油機貨輪輔鍋爐為避免“假水位”和氣泡的影響，一般采用電極式雙水位控制系統，其原理如圖1所示。在圖1中負責采集鍋爐液位信息的3根電極棒安裝在單獨的電極室內，分別檢測高水位、低水位和危險停爐水位。實際的整個系統中需要使用2套整流橋1Z和2Z，2個直流接觸器3JY和4JY，1個交流接觸器1CJ，然后是相關變壓器和斷路器。

圖1 電極式雙水位檢測控制示意圖

電極式雙位水位控制系統的工作過程如下：380 V電源閉合后，由第一個變壓器降壓成24 V的交流電，然后經過整流器1Z和2Z，將交流電轉換成直流電，為直流繼電器3JY和4JY供電，整流電路中RC電路的作用是穩壓。起主要控制作用的繼電器3JY的一個常開觸點3JY2與電極棒1并聯，構成自鎖電路，同時將3JY的常閉觸點3JY1接控制水泵的主接觸器1CJ，當水位低于電極棒2的下端點時，繼電器3JY失電，3JY1復位閉合，接通接觸器1CJ，啟動水泵。水泵啟動后，水位逐漸到達電極棒1的下端點，引起3JY自鎖，常閉觸點3JY1斷開，水泵停止供水，從而將水位控制高低水位之間。若電極棒2結構或繼電器-接觸器觸點氧化，導致水位觸及電極棒3的下端點，負責危險報警的繼電器4JY復位動作，觸發聲光報警并停爐。

傳統輔鍋爐水位檢測控制的缺陷在于電極易結垢，導致水位誤判，且水位檢測部分，直接引入的是強電電源，對電極與電極上蓋之間的絕緣要求較高[2]。另外在檢測控制環節，傳統方法采用了多個接觸器—繼電器控制環節，使用壽命和可靠性都有嚴格限制。

2 基于嵌入式系統的系統方案

當前嵌入式芯片的成本如此低廉，穩定性和抗干擾性都有極大提高。引入嵌入式控制可以極大的簡化系統結構，且能實現基本的運算和顯示輸出，甚至物聯網通信，電源電壓也可限制在5 V之下，相對于舊式的接觸器—繼電器檢測控制有著很大優勢。本文在參照傳統輔鍋爐水位控制系統的功能和要求的基礎上，設計了基于AT89C52單片機為控制核心，由液位采集模塊、信息處理模塊和顯示報警模塊等組成的液位控制系統。改造后的系統檢測控制部分示意圖如圖2所示。

圖2 改進后的檢測控制部分示意圖

在改進后的系統設計中，單片機將完成液位采集、水位判斷、水泵啟停控制和故障監測報警的功能，取代傳統系統中的整流裝置、接觸器—繼電器控制系統。同時采用單片機后，傳感器的設置改用電阻傳感器取代電極室的3根電極棒，充分利用模數轉換器和單片機的最基本的運算功能，完成水位上升與電阻電壓變化的一一對應關系，從而達到液位采集的目的[3]。在圖2中，模數轉換器和單片機運算主電路，體積小，成本低。系統的難點在于限流電阻R和水位測量電阻的阻值選取，務必要使電阻的阻值遠大于鍋爐用水水體阻值。這樣，水體接觸到電阻傳感器的部分，相當于短路，阻值可以忽略不計。這樣隨著水位的上升，模數轉換所獲得的電壓U、電阻傳感器長度L、鍋爐水位H的關系為：

(1)

其中，K為正比例常數，該常數的值與實際水體的電阻系數、鍋爐體積、限流電阻與電阻傳感器的取值有關。從式中可以看出，檢測電壓與鍋爐水位成線性關系。

3 改進后的鍋爐水位控制系統設計

3.1 硬件電路設計

本系統主要是由液位采集裝置、數據處理裝置、執行機構裝置、液位顯示裝置等構成。系統以電阻傳感器取代傳統3根電極棒作為液位采集裝置，實現數據輸入。系統硬件主電路如圖3所示。

圖3 系統硬件主電路

系統硬件主電路采用Proteus軟件設計，該軟件同時具備基本的電子電路設計和部分嵌入式芯片電路的仿真功能。如圖3所示，單片機P3端口外接按鍵，用來實現預期的改變參數設定，急停水泵的功能，還可以另接按鍵實現其他預定功能，實現對系統總體控制。本系統只使用了改變參數，急停水泵的功能。P1.3口接報警裝置，當系統水位在極低水位或極高水位時，報警裝置會發出報警聲音，提醒管理人員對鍋爐進行必要的維修。系統整體簡單，實用。當水位到達指定水位時，水位指示燈對應顯示相應的水位情況，同時LCD液晶顯示器顯示水位的液位情況。系統通過變電阻液位傳感器自動檢測液位數據，液位數據信號經過ADC0832轉換器進行信號處理后進入單片機數據處理系統。鍋爐水位到達給定水位時，水泵自動開始工作。系統實現預期功能的同時，用戶還可以根據實際情況對參數值進行修改。

3.2 軟件系統設計

系統的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

系統要求能完成以下功能：系統連接顯示輸出，可以實時顯示水泵、電源等其它裝置的工作狀態。系統也可以實現預期的設定功能，在低水位時，系統驅動水泵開始工作，在高水位時系統停止水泵供水。若由于系統故障，裝置在低水位時水泵沒有啟動，當液位繼續低至極低水位時，系統會再次啟動水泵同時蜂鳴器發出報警。若液位在高水位時水泵沒有停止供水，當液位繼續上升至極高水位時，系統會停止水泵供水，并且同樣會發出危險報警。系統還可以隨時通過按鍵修改水位參數值，在緊急情況下還可以通過急停按鍵停止水泵工作。

系統程序包括鍵盤控制程序，外接驅動控制程序，ADC0832轉換器控制程序，外接電路控制驅動程序，LM016L液晶顯示器控制程序，LM016L液晶顯示器顯示程序。

3.3 相關指標對比

經過在Proteus軟件中的仿真調試，驗證改進后的輔鍋爐控制系統是可以在模擬仿真系統下正常運行的。改進后的系統與傳統控制系統對比如表1所示。

表1 改進前后的相關指標對比

系統優點明顯：成本低，結構簡單，系統的核心模塊的總體積只有傳統控制系統的一個繼電器大小，經過簡單的程序算法改進，可以提前對傳感器結垢或水泵故障進行預判，故障監測報警更為靈敏。

4 結束語

嵌入式控制技術的性能和成本近些年都在不斷刷新，在船舶自動化方面的普及應用是大勢所趨。在前文中可以看到利用單片機改進后的控制系統有著很多優勢，但同時也有不足之處，例如傳統控制系統采用的是整流橋和繼電器控制，若元器件故障，一般的輪機員都可以更換操作。但采用嵌入式控制系統后，對相關維護人員的電子電氣知識有比較高的要求。不足之處還有待進一步實踐檢驗。

[1] 初忠. 輪機自動化[M]. 大連：大連海事大學出版社，2014.

[2] 林葉錦. 輪機自動化[M]. 大連：大連海事大學出版社，2009.

[3] 袁彪. 電極式加濕器水電阻分析與實驗研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2010.

For the traditional auxiliary boiler of the cargo ship,electrodes are adopted to finish double water level detection with rectifier device combined with relay as executive component.There exist some hidden troubles of easy fouling for 3 electrodes and untimely relay action.The detection and control system of single electrode detecting water level based on the embedded chip can make faulty monitoring and alarm function by using electrical resistant measurement to collect the data of the boiler level,with which analysis is gained through the embedded chip.By the analysis of the data,the system can control the start and stop of the water pump directly and automatically together with output-data displayed and parameters adjusted freely.The whole set of system is of low cost and great simplification,which is suitable for large and medium-sized cargo ships.

auxiliary boiler;automation;water level control system

U672.2

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.006

鞠冀軍(1968-)，男，河北新樂人，技師，大學本科，主要從事電子電氣方面的實訓和教研工作。

2017-08-01